Analysis of a Permanent Capacitor Split Phase Induction

Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa
Davlumbazlarda Kullanılan Tek Fazlı Sürekli Kondansatörlü
Asenkron Motor Analizi
Analysis of a Permanent Capacitor Split Phase Induction Motor
Used in Cooking Hood Applications
U. E. Doğru, N. G. Özçelik, L. T. Ergene
1
Elektrik Mühendisliği Bölümü
İstanbul Teknik Üniversitesi
[email protected], [email protected], [email protected]
Bu çalışmada, ev tipi bir uygulama olan davlumbazların fan
motoru olarak kullanılan tek fazlı daimi kondansatörlü
asenkron motorun performans testleri laboratuvar ortamında
gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen performans testlerinin
ardından sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak, ileriki
çalışmalara temel oluşturması ve ışık tutması açısından analiz
edilmiştir. Sonlu elemanlar analizleri için için iki boyutlu
paket program (Flux2D) kullanılmıştır.
Özet
Bu çalışmada davlumbaz uygulamalarında sıkça kullanılan
daimi kondansatörlü tek fazlı asenkron motorlar performans
açısından incelenmiştir. Motorun sonlu elemanlar yöntemi
yardımıyla analizleri yapılmış, bu analiz sonuçları deneysel
sonuçlarla desteklenmiştir. Her iki yöntem sonucu elde edilen
veriler motor performansı açısından karşılaştırılmış ve
sonuçların uyumluluğu incelenmiştir.
2. Test Motoru
Abstract
Davlumbaz uygulamasında kullanılan bu test motoru, tek fazlı
daimi kondansatörlü asenkron motordur. Fan uygulamasında
devir sayısının önemli olması sebebiyle iki kutuplu olarak
tasarlanan motor, üç farklı hız kademesinde çalışabilmektedir.
Davlumbaz fan motoru olarak kullanılan bu motor şebeke
gerilimi ve frekansı olan 230 Volt’luk gerilim ve 50 Hz’lik
frekans seviyesinde çalışmaktadır. Şekil 1’de davlumbaz fan
motoruna ait genel bir görünüm verilmiştir.
In this study, a permanent capacitor split phase induction
motor, which has been frequently used in cooking hood
applications, has been analyzed. Beside the finite element
method analysis of the motor, experimental results are also
provided. Both results are compared in terms of the motor
performance.
1. Giriş
Asenkron motor teknolojisi, 1800’lü yılların başında döner
alan kavramının bulunmasının ardından, 1890 yılların sonuna
doğru ortaya çıkmıştır. Tek fazlı asenkron motor, önce doğru
akım makinalarındaki kutup başına birden fazla oluk yapısı
dikkate alınarak tasarlanmıştır. Daha sonra ise çok fazlı
asenkron makinaların tasarlanmasında basamak görevi
üstlenmiştir [1]. Tek fazlı asenkron motorlar; sahip oldukları
manyetik yapıdan dolayı, dışarıdan uygulanan yardımcı bir
kuvvet olmadan dönme işlevlerini yerine getiremezler. Motor
tasarlanırken yardımcı sargılar kullanılarak; makine içinde ana
sargının oluşturduğu manyetik alanın haricinde, yardımcı
sargıların destekleyici bir manyetik alan oluşturması sağlanır.
Ana sargılar ve yardımcı sargılar tarafından oluşturulan
manyetik alanların birbirine dik konuma gelip motorun
dönebilmesi için kalkış durumunda, işletme durumunda ve
hem kalkışta hem de işletme durumunda görev yapan
kondansatörler kullanılmaktadır. Tek fazlı asenkron motorlar
genellikle küçük güçlü makinalardır.
Şekil 1: Motorun genel görünümü.
Motorun elektriksel devresi ise Şekil 2 de sunulmaktadır.
Motor hız kontrolü, yardımcı ve ana sargı düzenlerinin
bağlantı uçlarının değiştirilmesiyle gerçekleştirilir. Maksimum
hız için ana sargı R1 direnci iken yardımcı sargı R2, R3 ve R4
dirençlerinin toplamı olur.
Davlumbaz uygulamalarında kullanılan motor tipine
bakıldığında; şu ana kadar tercih edilen motor tipi, fan
uygulamalarında ve pompa uygulamalarında kullanılan sürekli
kalkış kondansatörüne sahip tek fazlı asenkron motorlardır [2].
173
Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa
0.4 Moment
[Nm]
0.35
Maksimum hız
Orta hız
0.3
Minimum hız
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Şekil 2: Motorun elektriksel eşdeğer devresi.
0
Hız düşürülürken ana sargı direnç değerleri artırılarak, hızın
azalması sağlanır. Bu durumda, minimum hız için ana sargı
direnç değeri R1, R2 ve R3 değerlerinin toplamı iken yardımcı
sargı R4 direnç değerine sahip olur. Elektriksel devreye ait
ilgili direnç değerleri Çizelge 1 de verilmektedir.
1000
2000
3000 Hız [min-1]
Şekil 4: Motor moment öz eğrileri
Şekil 3’te verilen öz eğriler test motorunun maksimum, orta ve
minimum hız kademelerine aittir. Testlere göre kalkış
momentleri maksimum, orta ve minimum hız değerleri için
sırasıyla ortalama 0,22, 0,11 ve 0,0775 Nm’dir. Dinamo fren
yardımıyla motor, üç hız kademesi için yüklenip kilitli rotor
konumunda çektiği akım ve ürettiği moment sonuçları Çizelge
2 de verilmektedir.
Çizelge 1: Elektriksel eleman büyüklükleri
Ölçüm Yapılan Uçlar
Direnç ve Kondansatör
değerleri
Kırmızı-Siyah (R1)
95,8 Ω
Siyah-Beyaz (R2)
40,1 Ω
Beyaz-Mavi (R3)
15,8 Ω
Mavi-Sarı (R4)
41,5 Ω
Hız kademesi
Kilitli Rotor
Akımı (A)
Kilitli Rotor
Momenti (Nm)
Kahverengi-Sarı (C)
5µF
Minimum Hız
0,628
0,067
Orta Hız
0,714
0,108
Maksimum Hız
0,944
0,203
Çizelge 2: Kilitli rotor test sonuçları
3. Performans Testleri
Test motoru, performans testleri için dinamo fren istasyonuna
bağlanmıştır. Motorun dinamofrene bağlandığı test düzeneği
Şekil 3 te verilmektedir.
Son olarak davlumbaz uygulamasının yükü olan fanın ihtiyaç
duyduğu moment değerleri tespit edilmiştir. Motor fana
bağlanarak üç ayrı hız kademesinde test istasyonunda
çalıştırılmıştır. Motorun şebekeden çektiği akım ve tükettiği
güç değerleri kaydedilmiştir. Bu değerler performans testleri
sonucunda elde edilen veriler ile eşleştirilerek, motorun o hız
kademesinde ürettiği yük moment değerleri belirlenmiştir.
Çizelge 3: Yük moment değerleri
Hız
Kademesi
Minimum
Şebekeden
Çekilen
Akım [A]
0,6
Şebekeden
Çekilen
Güç [W]
124
Yük
Moment
Değeri [Nm]
0,155
Orta
0,648
135
0,21
Maksimum
0,741
162
0,3
Şekil 3: Dinamo fren test istasyonu.
4. Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Analiz
İlk olarak bağlantı noktaları değiştirilerek yapılan üç ayrı hız
kademesi için moment - hız öz eğrileri elde edilmiştir. Bunlara
ek olarak, kilitli rotor ve yükte testleri yapılarak motorun
akım, giriş gücü ve verim gibi parametrelerine ulaşılmıştır. Bu
testlere üç ayrı hız değeri için göre moment – hız grafiği Şekil
4 teki gibidir.
IEC-60034 standardına uygun olarak yapılan laboratuvar
performans testlerinin ardından davlumbaz fan motorunun,
sonlu elemanlar yöntemi ile analizi gerçekleştirilmiştir.
Motorda 16 stator, 24 rotor oluğu bulunmaktadır. Motorun
genel geometrik büyüklüklerinin listesi Çizelge 4 te
sunulmaktadır.
174
Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa
Çizelge 4: Geometrik parametreler
Hava Aralığı
Stator Dış Çapı
Stator İç Çapı
Stator Oluk
Yüksekliği
Rotor Çubuk
Yüksekliği
Rotor Dış Çapı
Rotor Barı Üst
Yarıçapı
𝐿!ç =
0,195 mm
78 mm
41.12 mm
!!! !!" !!
!
ln(
!!" !
!!!
(1)
) (1) ile gösterilen denklemde p kutup çifti sayısını, µμ! hava
aralığı manyetik geçirgenliğini, 𝜏!" sargı adımını, 𝑁 sarım
sayısını, 𝐴! ise tel kesit alanını temsil etmektedir [3].
11,31 mm
8 mm
40,73 mm
1,40 mm
İlgili geometrik parametreler dikkate alınarak oluşturulan iki
boyutlu motor genel görünümü Şekil 5 te verilmektedir.
Şekil 7: Elektriksel eşdeğer devre.
Yapılan hesaplamalar doğrultusunda uç endüktans değeri 0,5
mH olarak belirlenmiştir. Her bir oluk sargı iletkeni ile temsil
edilirken; her bir oluk için uç endüktans değerleri de ayrı
olarak verilmiştir.
Üçüncü adım olarak da motorun malzemeleri belirlenmiş ve
bunlar geometrik yüzeylerle eşleştirilmiştir. Stator ve rotor
laminasyonu olarak kullanılan saca ait mıknatıslanma eğrisi
Şekil 8’de verilmiştir.
2 Şekil 5: Motor geometrik modeli.
1.5 B [T] Analizi gerçekleştirebilmek için fiziksel sınırlar ve problemler
tanımlanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi için gerekli olan ağ
yapısı oluşturulmuştur. Belirli bir zaman aralığı için çözümler
gerçekleştirilmiştir. Ağ yapısı üzerinde toplam olarak 46534
düğüm bulunmaktadır. Hava aralığı gibi manyetik akının ani
değişim gösterdiği bölgelerde yoğun ağ yapısı kullanılarak
çözümlerdeki hassasiyet artırılır. Motora ait ağ yapısını hava
aralığı bölgesinde gösteren bir kesit Şekil 6 da verilmektedir.
1 0.5 0 0 500 1,000 1,500 H [A/m] 2,000 2,500 Şekil 8: Laminasyon malzemesi B-H eğrisi.
Motor modelinin zamana bağlı elektromanyetik analizi
yapılmıştır. Uygulanan kaynak gerilimi 230 V tepe değere
sahiptir (Şekil 9) .
Gerilim [V] 400 300 200 100 0 -­‐100 0.00 -­‐200 -­‐300 -­‐400 Şekil 6: Model ağ yapısı.
Elektromanyetik çözümde manyetik ve elektriksel devreler
zamana bağlı olarak ani çözüm yapmaktadırlar. Motor için
oluşturulan elektriksel devre Şekil 7 de verilmiştir. İki boyutlu
analiz yapıldığından üçüncü boyut etkisi elektriksel devreye
uç sarım endüktansları eklenerek sağlanmıştır. Uç endüktans
paket boyu dışında kalan sargının eşdeğer endüktans değerine
denk gelmektedir.
0.05 0.10 0.15 Zaman [s] Şekil 7: Motor giriş gerilimi.
175
0.20 Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa
Şekil 10 da stator ana sargı akım dalga şekli verilmiştir ve
0,70 A etkin değere sahiptir. Kalkışta oluşan akım darbesi
grafikte açıkça gözükmektedir.
0.6 0.5 Moment [Nm] 1.4 0.9 Akım [A] 0.4 -­‐0.1 0.00 -­‐0.6 0.05 0.10 0.15 0.20 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.00 -­‐1.1 0.05 0.10 Zaman [s] -­‐1.6 -­‐2.1 0.15 0.20 Şekil 11: Moment – zaman grafiği.
Zaman [s] Motorun farklı kayma değerlerinde yapılan sürekli hal
analizleri sonucunda elde edilen moment hız karakteristiği
Şekil 14 te verilmektedir.
Şekil 8: Akım-zaman grafiği.
Giriş gerilimi ve akımı bilgilerine ek olarak giriş gücü, geçici
hal hız – zaman ve moment – zaman özeğrileri sırasıyla Şekil
11, Şekil 12 ve Şekil 13 te verilmektedir. Motor girişte 160 W
elektriksel güç çekmektedir. Bu yapılan analizlerle de
doğrulanmıştır. Şekil 13 te verilen zamana bağlı moment
grafiğinde ortalama değer 0.3 Nm dir ve bu değer motorun
yük momenti değerini karşılamaktadır.
0.35 Moment [Nm] 0.3 Güç [W] 600 500 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -­‐0.05 0 400 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Hız [min-­‐1] 300 Şekil 12: Moment – hız değişimi
200 100 0 0.0 0.1 0.1 0.2 5.
0.2 Zaman [s] Yapılan bu çalışmanın ilk aşamasında davlumbaz
uygulamasında kullanılan tek fazlı daimi kondansatörlü
asenkron motorun laboratuvar ortamında standartlara uygun
testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında ise
sonuçların doğruluğunu göstermek ve gelecekte yapılacak
çalışmalara ışık tutması için davlumbaz fan motorunun sonlu
elemanlar yöntemi ile analizi yapılmıştır.
Şekil 9: Giriş gücü – zaman grafiği.
3300 2800 Hız [min-­‐1] 2300 1800 Performans testleri sonucunda motor mil momentinin 0,3 Nm
olduğu ve motorun şebekeden 160 W güç çektiği tespit
edilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak elde edilen
analiz sonuçlarına göre motor mil momentinin 0,295 Nm ve
motorun şebekeden çektiği gücün 166 W olduğu
hesaplanmıştır. Performans test sonuçları referans noktası
alındığında, sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan hesaplamalar,
üretilen mil momenti değeri için %1,6; şebekeden çekilen güç
değeri için ise %3,75 bağıl hata değerine sahiptir. Sonuçların
bağıl hata değerinin düşük olması, yapılan çalışmanın
performans testleri ile uyumluluğunu göstermektedir.
1300 800 300 -­‐200 0.00 -­‐700 -­‐1200 0.05 0.10 0.15 Sonuç
0.20 Zaman [s] Şekil 10: Geçici hal hız – zaman grafiği.
176
Eleco 2014 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 27 – 29 Kasım 2014, Bursa
6. Kaynaklar
[1] Lamme, B. G., “The story of the induction motor,”
American Institute of Electrical Engineers, Vol. 40, Issue. 3,
pp. 203-223, 1921.
[2] Fitzgerald, A.E., Kingsley C., Umans S.D., “Electric
machinery,” Indiana, ABD, Mc. Graw Hill Press, July 25,
2002.
[3] Ergene, L.T., Dönmezer, Y., “ A study of end turn
inductance calculation of BLDC motors,” International
Symposium on Power Electronics, Electrical Drives,
Automation and Motion, 2010.
177